Science：一種用于毫米厚電池電極的鋰超離子導體

一、 【導讀】?

全固態鋰電池（ASSLBs）采用固態電池結構，使用鋰超離子導體作為電解質，具有改善安全性和提高能量-功率特性的潛力。經過多年的研究，全固態電池已經能夠以高電流密度進行放電。盡管研究中使用的陰極只有幾十微米厚，但其快速放電性能暗示未來的ASSLBs在高溫條件下具有高能量密度和功率密度，而有機液體電解質在這些溫度下由于安全問題受到限制。這是因為固體電解質在室溫下具有與傳統液體電解質相當的高鋰離子電導率。雖然已經開發的固體電解質包括Li₁₀GeP₂S₁₂（LGPS）和Li_9.54Si_1.74P_1.44S_11.7Cl_0.3（Li-argyrodites）。然而，固體電解質的剛性特性可能帶來一些不利影響，包括固體電解質在電極微觀結構中引入的空隙空間，阻礙了Li⁺向活性材料的均勻供應，導致容量損失。特別是在毫米厚電極中，固體電解質的低電導率會導致歐姆降增加，進一步加劇了容量降低的問題。歷史上，通過多重取代策略實現了無機離子導體的電導率提高。這種策略在開發一些Li⁺導體時被應用，目標是降低Li⁺遷移的電位障礙。然而，如何實現復雜的陰離子和陽離子組成以及避免目標晶體結構的崩潰仍然是一個挑戰。因此，尚未充分發掘利用超離子導電的晶體結構的全部潛力。

二、【成果掠影】

日本東京工業大學創新研究所全固態電池研究中心Ryoji Kanno教授團隊利用高熵材料的特性，通過增加已知鋰超離子導體的組成復雜性來設計了一種高離子導電的固態電解質，以消除離子遷移的障礙，同時保持超離子導電的結構框架。合成的具有組成復雜性的相顯示出改進的離子導電性能。證明了這種高導電固態電解質能夠在室溫下對厚鋰離子電池陰極進行充放電，因此具有改變傳統電池配置的潛力。相關成果以“A lithium superionic conductor for millimeter-thick battery electrode”為題發表在Science上。

?三、【核心創新點】

這項研究通過增加已知鋰超離子導體的組成復雜性，設計了一種高離子導電的固態電解質，消除了離子遷移的障礙，為厚型鋰離子電池提供了新的解決方案。

?四、【數據概覽】

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圖1顯示了已報告的LGPS型和argyrodite型電解質的晶體結構指標（t）與組成復雜性度量值（Smix）之間的關系。 ? 2023 AAAS

圖2展示了LSiPSBrO的結構分析結果。? 2023 AAAS

圖3展示了離子導電性。 ? 2023 AAAS

圖4展示了全固態電池的性能。? 2023 AAAS

五、【成果啟示】

總言之，本文設計了一系列具有Li_9.54[Si_1?δM_δ]_1.74P_1.44S_11.1Br_0.3O_0.6（M = Ge，Sn；0 ≤ δ ≦ 1）組成的固體電解質，以實現高配置熵，同時保持其具有超離子導電路徑的晶體結構。單相LSiGePSBrO（M = Ge，δ = 0.4）的體內電導率在25°C時為32 mS cm^?1。理論計算和結構分析表明，即使在LSiGePSBrO中進行了少量化學取代，也可以降低離子遷移的能壘，從而解釋了該相中觀察到的電導率增強現象。將LSiGePSBrO作為陽極液體的全固態電池，采用厚型陰極（厚度為800 μm），在25°C和-10°C下分別顯示出22.7和17.3 mAh cm^?2的放電容量，相應地活性物質利用效率分別為97%和73%。這項研究強調了在采用厚型陰極配置的全固態鋰電池的充放電性能中高電導率的重要性。本研究提出的設計原則可能加速超離子導體的探索。

原文詳情： Yuxiang Li et al. ,A lithium superionic conductor for millimeter-thick battery electrode.Science381,50-53(2023).DOI:10.1126/science.add7138